扫描隧道显微镜微位移驱动器(爬行器)的研究

　　扫描隧道显微镜(STM)是目前唯一能够进行原子尺度观察,加工和表面改性的工具,近几年发展十分迅速,已经深入到各个领域。而将样品带入到与针尖具有原子量级尺度的间距,需要一个微位移驱动器(爬行器)。目前我国大部分扫描隧道显微镜都采用进口管式爬行器。这种爬行器价格昂贵,且仅有一维运动。随着国内微型机械,微细加工,纳米技术等领域的工作迅速发展,对扫描探针显微镜的需求也越来越多,这势必增加对爬行器的需求,同时也会提出大范围运动等要求,例如二维运动等。为此,我们利用国产材料研制了吸附式爬行器,并通过软件和硬件的结合克服了其存在的问题,使其运行可靠。此爬行器可以推广应用到微细加工的各个领域中去。

　　爬行器的工作原理和技术要求

　　在STM中,爬行器的作用是携带样品(或针尖)从远离针尖(或样品)的地方到接近Z轴扫描器的控制范围内。由于STM的分辨率是原子量级,因此,爬行器的运动必须是平滑的,可预测的,有最小冲力,以避免针尖碰撞样品。爬行器每爬行一步,计算机都要检测是否产生隧道电流,使样品和探针自动进入隧道状态。设计爬行器应该考虑以下几个因素:1.机械部分可靠;2.几何尺寸,形状和机械刚度要满足要求;3.活动范围大。

　　目前,爬行器主要分为压电式,电磁驱动式和惯性驱动式。压电式可分为管式和吸附收缩式。国外进口的压电爬行器都是管式,这种爬行器由一个管和一个轴组成,中间带有压电环做夹紧。内轴被固定,外管通过夹紧步进动作实现向前或向后爬行。这种装置的优点是刚性好,可靠性好;缺点是仅限于一维运动,且加工工艺要求非常高,目前国内的加工条件实现比较困难,因而价格昂贵,仅爬行管就大约2万元左右,再加上驱动电路,价格就非常高了。

　　根据需要,我们设计了吸附式爬行器,它由伸缩臂,吸定脚和基体3部分组成,结构如图1所示。

　　图中P是压电陶瓷伸缩臂,其上下表面镀银,用做电极,当电极间加正或负电压时,伸缩臂在Z方向伸或者缩,A1和A2是吸定脚,T是基底,A1,A2和T的表面用SiO2覆盖,A与T相当于平行板电容器的电极,SiO2相当于电容器的电介质,电容器电容为:

　　式中:ε0是真空中的介电系数;εr是介质的相对介电系数,SiO2的介电系数εr=3.9;l是绝缘层厚度;s是吸定脚面积。该电容内静电能量是:

　　两电极作用力是:

　　从(3)式中可以看出作用力与施加的电压u的平方成正比,与绝缘层厚度l的平方成反比,因此,只要选择合适的电压和绝缘层厚度,就可以使吸定脚有足够的吸力。